电磁超表面全息成像技术研究进展

超表面全息术的出现极大地促进了全息成像技术的发展,同时也拓展了电磁超表面的应用范围。为进一步梳理超表面全息成像的发展脉络,以技术发展的时间轴为主线,系统地回顾了超表面技术的发展历程,以及受益于超表面技术的全息成像模式的进步。随着技术的进步,超表面全息术逐渐从可见光频段向微波频段发展,从静态重现向动态全息演变,因此,着重介绍了超表面全息术的未来方向——可重构超表面及其动态全息技术,并且从超表面单元高性能创新技术、超表面阵列全息模式以及超表面全息系统研究3个方面对可重构超表面全息术的发展做了展望。

基于遗传算法的宽带渐变电阻膜超材料吸波器设计

近年来,基于超材料的电磁吸波器件由于其宽带、易制备等优势而备受各国研究者的广泛关注.本文为实现宽带电磁低可探测,提出一种渐变电阻膜-介质复合结构的超材料吸波器.基于传输线理论和阻抗匹配原理,对强吸波条件进行了分析.在单元结构设计方面,采用遗传算法在多变量域内全局搜索最优解,快速地确定出能够兼顾低频与宽带吸波性能的超材料单元结构与电阻参数,并对器件吸波性能与吸波机理进行了深入的探讨.仿真结果表明,在垂直入射下,所设计的超材料吸波器对1.62—19.16 GHz(相对带宽168.8%)之间的入射波吸收率均大于90%,有效地向L和K波段拓展了吸收带宽.虽然在部分频段测试和仿真结果之间存在一定偏差,但两种类型的曲线随频率的变化趋势基本一致,这充分证明了所设计的超材料吸波器在低频宽带吸波领域具有潜在应用价值.

《太赫兹探测、通信及其一体化》专辑发刊词

太赫兹频段频谱资源丰富,在探测与通信方面具有分辨率高、通信容量大、抗干扰能力强、可全天时工作、易于高度集成等突出优势,而太赫兹探测通信一体化技术通过探索构建全新技术体系与应用模式,把雷达与通信两者科学地融合在一个平台上,实现“精细探测+高速通信”的综合服务和灵活应用能力。因此,发展太赫兹探测、通信及其一体化技术具有重要的科学意义与应用价值。

微波技术对化工过程的强化——评《微波化工技术》

微波是一种波长较短的电磁波,其波长在红外线和短波之间,容易集聚且具有高定向性、直线传播性、热特性、非热特性等性质。微波会作用于物质中的极性分子,使极性分子排列位置迅速发生变化,摩擦产生热量。微波加热会使物质内的分子链断裂,使脱水过程等反应加快,进而产生化学效应。微波化工技术是以微波为应用原理,以电磁场理论、介质损耗理论、化学及化工原理、材料科学原理等理论科学为基础,将微波应用于化工行业,并利用其加热性等性质,强化化工反应过程并实现工业化的一种技术。微波化工技术能够使有机反应比传统加热方式快数倍,操作简单且效率高,操作过程中很少造成资源浪费,能有效支持化工行业的可持续发展。

机械设备用感应电机电磁力动态特性计算与研究

机械设备用感应电机的动态性能是不可忽略的设计要求。为抑制电机动态电磁振动和噪声水平,展开了对电机电磁力动态特性分析及相应削弱措施的研究。首先利用经典气隙谐波磁场理论,确定磁场中的谐波磁势和谐波磁导来源,由此再通过张量法计算电机径向电磁力,并对比主要谐波分量的幅值、极对数和频率特征。然后采用有限元仿真和傅里叶分解法,确定电磁力时空行波的基本特征,推断主要力波的谐波磁场产生来源。结果表明谐波径向力绝对幅值的变化很难影响其占基波的相对比值。最后建立磁性槽楔理想模型对比仿真,谐波电磁力的削弱程度与槽楔磁导率正相关,样机振动测试试验间接验证了磁性槽楔的优越性,为电机动态特性研究及优化设计提供理论依据。

“电磁波与等离子体相互作用”专题前言

近些年关于电磁波在等离子体中的传播、辐射、散射规律的研究变得越来越多,越来越重要,其原因在于它是很多重要应用的基础。突出的应用场景主要有:1)高超飞行器产生的等离子体鞘套会影响无线电通信和探测;2)空间电离层等离子体会直接影响卫星通信和遥感;3)飞行器等离子体隐身。国内相关科研机构投入大量资源开展了较为系统的研究,涌现了一大批研究成果。为了更好地呈现这些成果,《电波科学学报》策划了此次“电磁波与等离子体相互作用”专题。

太赫兹光谱在转基因菜籽油鉴别中的应用:基于改进蜉蝣算法的支持向量机模型

为实现对转基因和非转基因菜籽油的快速准确鉴别,结合太赫兹时域光谱技术,提出了一种基于改进蜉蝣优化算法的支持向量机模型.以两种转基因和两种非转基因菜籽油为研究对象,应用太赫兹时域光谱技术获取其光谱信息,发现相比于非转基因菜籽油,转基因菜籽油在太赫兹波段具有更强的吸收特性,同时它们的吸收光谱极为相似,难以通过观察法进行准确区分.为此,提出一种基于改进蜉蝣优化算法的支持向量机模型,通过采用蜉蝣优化算法对支持向量机参数进行寻优,并引入自适应惯性权重和Lévy飞行两种策略改进蜉蝣优化算法在寻优过程容易陷入局部最优解的问题,增强蜉蝣优化算法的全局搜索能力和稳健性.实验结果表明:改进后的蜉蝣优化算法能够更有效地寻找到支持向量机的最优参数组合,提升鉴别模型的整体性能,该模型对4种菜籽油的识别精度为100%.因此,本研究为转基因菜籽油的类型鉴别提供了一种快速有效的新方法,也为其他转基因物质的鉴别提供了有价值的参考.

双谐振环金属超表面中的连续域束缚态

超表面由于具备独特的电磁响应特性,在微波、太赫兹以及光学领域的应用十分广泛.在电磁超表面中构建连续域束缚态(bound states in the continuum,BIC)模式谐振可以产生尖锐的谐振透射峰,因此BIC被广泛用于设计具有高品质因子谐振的超表面.本文实验研究了一种支持准BIC(quasi-BIC,q-BIC)谐振的新型金属太赫兹超表面,通过设计两组金属开口谐振环(split ring resonators,SRRs)的结构参数来调节各自主导的谐振的工作频率,使不同模式谐振之间产生耦合,形成q-BIC模式谐振.并利用电磁场分布及其散射功率的多极分解的计算结果证明了不同模式的共振机制.在入射电磁波分别沿x,y偏振时,通过Jaynes-Cummings模型计算了两模式之间的归一化耦合强度比,分别为0.54%(x偏振)与4.42%(y偏振),解释了不同谐振模式的工作频率随SRRs器件结构参数改变而变化的规律.

“面向射电天文的电磁测量、兼容评估与环境保护前沿技术”专题前言

近年来,中国射电天文业务的发展日新月异,多台大中型射电天文望远镜投入运行。其中,被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST),是具有我国自主知识产权、世界最灵敏的单口径射电望远镜,其综合性能达到国际领先水平。FAST运行以来,已在脉冲星发现、快速射电暴、星际介质及恒星形成等研究领域取得了重要突破,而电磁兼容、电磁环境评估与保护一直是保障射电天文望远镜正常运行的重要基础,也是学术界持续研究的热点之一。国内高等院校、科研院所投入大量资源开展了较为系统的研究,涌现了一大批优秀科研成果。为了更好地呈现这些成果,《电波科学学报》策划了此次“面向射电天文的电磁测量、兼容评估与环境保护前沿技术”专题。

《太赫兹科学与电子信息学报》2024年第11期专栏征稿主题:宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成

近年来,以SiC、GaN、金刚石、Ga2O3为代表的宽禁带半导体在功率、射频器件方面展示出重要的研究价值,并在5G通信、汽车电子、快速充电等方面展现出了广阔的应用前景。抓住研发宽禁带功率半导体的战略机遇期,解决宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成中的关键技术瓶颈,具有极为重要的科学意义与实际价值。

《太赫兹科学与电子信息学报》2024年第9期专栏征稿主题:长波光子探测、感知与应用

电磁波信息的探测感知与有效掌控是世界各国全方位竞争的制高点。毫米波至中远红外(30 GHz~100 THz)的长波光子范围涵盖了传统电子学至光子学之间的过渡区域,探测感知其强度、波长、相位、偏振、时间分辨等多维度信息是实现其在安全检查、通信雷达、医学诊断、无损检测等领域应用的基础性、关键性和共性问题。为了进一步推动长波光子探测、感知与应用新理论、新技术、新方法的创新研究,促进长波光子学领域的相互交流、学习借鉴,《太赫兹科学与电子信息学报》计划推出“长波光子探测、感知与应用”专题栏目,现特向广大专家学者征集符合该专题方向的原创性研究论文及综述,旨在集中反映该领域最新的研究成果及研究进展。

媒质分界面电磁能量守恒的仿真与实验

为了对电磁波在介质板附近的能量守恒实验进行理论上的指导,对电磁波反射与折射实验中的能量守恒进行了分析。对无限大介质板的反射与折射和介质板处的能量守恒进行了理论计算,对实测结果进行了分析,并利用电磁仿真软件对实验进行了仿真。将仿真结果与理论结果和实验测试结果进行了对比分析,结果表明实验测试结果与实验的仿真结果更为接近,与无限大介质板的理论结果有较大的差距。

《太赫兹科学与电子信息学报》2024年第12期专栏征稿主题:太赫兹成像感知技术

成像是人类认识世界最直接的方式,太赫兹波作为最后一个被开发的电磁波段,为科学探索和工业应用提供了新的视野,其包含的物质指纹,可作为分子级的识别手段。受限于波长的物理尺度,其成像分辨率距离人们的期望还有一定距离;太赫兹光谱传递了什么信息、该如何应用,仍需要深入探索。本专题拟对此进行探讨。

单壁碳纳米管太赫兹超表面窄带吸收及其传感特性

由于碳纳米管具有优异的电学和光学特性,因此在光电子学领域具有广泛的应用前景.本文使用真空抽滤法,将单壁碳纳米管粉末分散液通过真空过滤的方式,制备了一种各向同性的单壁碳纳米管薄膜;进而提取了薄膜在0.4—2.0 THz范围内介电参数,并设计了一种基于单壁碳纳米管薄膜的新型太赫兹超表面窄带吸收器,这种超表面吸收器是由方形与工字形狭缝谐振器构成.实验和仿真结果表明,提出的太赫兹超表面吸收器在0.65,0.85,1.16和1.31 THz处存在4个明显的共振吸收峰,实现了最高可达90%的完美吸收.利用多重反射干涉理论阐明了这种多频带新型太赫兹超表面的吸收机制.通过在超表面器件表面覆盖具有不同折射率的介质层,深入研究了超表面作为折射率传感器的传感性能.研究结果表明,这种新型超表面吸收器用于折射率传感具有较高的灵敏度,为进一步开发新型碳基太赫兹超表面吸收器提供了新的思路和方案.

水下无人潜航器内部磁场有限元仿真建模及其分布特性

针对水下无人潜航器(UUV)磁场分布特性的研究需求,利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对UUV的磁场分布进行建模和仿真。分析UUV内部磁场来源及分布情况;对比分析磁偶极子理论计算与COMSOL磁场建模仿真,探讨利用COMSOL软件模拟方法开展磁场建模的可行性;运用COMSOL仿真软件,构建UUV几何模型,求解分析UUV平台干扰磁场分布特性。建模和仿真结果表明,利用COMSOL仿真软件实现磁偶极子建模是正确可靠的,UUV平台中后部磁感应强度最强,艏艉处磁感应强度最小,约为20 nT,为UUV平台的磁传感器安装位置和低磁性优化设计提供了依据。

基于等离子体超材料局部场调控特性的低频吸波材料设计方法

实现低频段雷达波的高性能吸收,通常需要增大磁性吸波材料(MAs)的厚度,这无疑会增加吸波材料的重量,制约实际应用潜能。对此,本文我们提出了基于等离子体超材料(PM)调控传统磁性吸波材料内部磁场的方法,利用金属短线调控磁场分布的特性,通过增强其与底层金属底板之间整个局部空间的磁场强度,在其中加入传统磁性吸波材料后,就能有效提升传统磁性吸波材料的吸波性能,进而使整体结构在其工作频段都具有较强的吸波性能。仿真和实验结果表明:垂直入射时,所设计的吸波超材料可在0.9~2.2 GHz频段内实现高效吸收,入射角逐渐增大到60°时,90%的吸收带宽仍可以达到0.73~3.12 GHz。该设计方法在雷达隐身、电磁兼容和通信等领域都具有较大的潜在应用。

面向FAST的卫星电磁干扰监测技术研究与实现

来自人造卫星的信号是射电天文观测面临的主要射频干扰(radio frequency interference,RFI)之一,这些RFI会将天文信号掩埋,为天文信号的搜寻和分析带来困扰。为了缓减卫星对天文观测的影响,我们在之前的工作中为500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)开发了卫星电磁干扰监测软件,主要包括卫星数据库、观测模块和监测模块。近年来随着多个巨型卫星星座的规划发射以及望远镜观测模式的增多,卫星对射电天文观测的影响更为复杂,已有的软件已经不能满足实际的需要。为此,本文在单个卫星干扰分析的基础上提出了卫星星座的干扰评估方法,并对已有监测软件进行了升级,升级后卫星数据库覆盖更多的在轨卫星及星座信息且能够自动化更新,观测模块能够支持更多种观测模式下的卫星过境预测和干扰评估。在实际天文观测中,通过接在FAST接收机上的频谱仪数据对软件的干扰预测结果进行了实验验证,结果证明升级后的软件能够在多种观测模式下预测可能威胁的卫星以及对应的过境时间,为望远镜观测规划的调整、卫星干扰的规避和接收系统的保护提供重要的支撑。

基于时间序列相似性搜索的电磁阻拦装置故障诊断方法

电磁阻拦装置记录的事件数据具有高采样率、多维耦合和非周期瞬态的特点,属于复杂非平稳时间序列。为此提出一种基于级联下界剪枝和全局约束下动态时间规整(dynamictime warping,DTW)提前终止策略的相似性搜索方法对事件数据进行挖掘,以实现快速故障诊断。首先提出一种基于小波熵和重要点筛选的改进分段聚合近似算法对事件数据进行压缩降维;然后依次采用3种级联的DTW下界距离函数进行剪枝,以剔除不相似序列,得到候选序列;最后在候选序列中执行精确搜索,通过提出的全局约束下提前终止策略优化DTW度量速度。在电磁阻拦装置原型的历史实验数据中开展实验,验证了该方法能够准确匹配工况及系统故障类别,效率相比主流的TS2BC算法提高了2.14倍。

一种基于Dirac半金属的可调控极化偏转器件的仿真分析

本文提出了一种基于体Dirac半金属(Bulk Dirac Semimetal,BDS)的动态超材料结构极化偏转器.与传统的极化偏转器不同,该偏转器可以通过改变费米能级来动态控制偏振转换率和不对称传输.模拟结果表明,当BDS的费米能级调整为90 meV时,偏转器的偏振转换率在1.085~1.872 THz频率范围内都保持在90%以上(带宽为0.787 THz),在1.159 THz处偏振转换率达到峰值98%.该偏振转换器的不对称传输参数在1.229~1.831 THz大带宽范围内大于60%.本文还研究了偏振旋转角、椭圆度角、表面电流和电场分布情况以阐明该器件的极化转换特性和物理机制;通过施加栅极电压控制BDS费米能级,实现了对该极化偏转器的偏振转换率以及不对称传输的动态调谐.该极化偏转器的可调谐不对称传输特性,为基于动态不对称传输所设计的多路复用器、太赫兹二极管等设备的制造提供了新的思路.

宽带吸收与极化转换可切换的太赫兹超表面

本文提出一种具有宽带吸收与极化转换可切换的太赫兹超表面,通过调节二氧化钒电导率可实现太赫兹波吸收和极化转换功能灵活切换.当二氧化钒处于金属状态时,该超表面表现为宽带吸收器,在6.32—18.06 THz范围吸收率大于90%,相对带宽为96.3%.当二氧化钒为绝缘状态时,该结构在2.41—3.42 THz,4.78—7.48 THz和9.53—9.73 THz频率范围表现为极化转换器,极化转换率大于90%.该超表面结构可以用于太赫兹波探测、太赫兹通信以及太赫兹传感等领域应用.